Premières observations de GRAVITY de l’environnement du trou noir au centre de la Galaxie

Avec son trou noir supermassif de 4 millions de masses solaires, le centre de la Galaxie est le laboratoire idéal, pour les astrophysiciens, pour tester la théorie de la relativité générale d’Einstein. L’instrument Gravity qui a été développé dans cette perspective vient d’offrir ses premières observations d’une étoile se déplaçant tout près de Sagittarius A*, en combinant la lumière des quatre télescopes géants du mont Paranal.

Au cours de l’été 2015, 10 ans après le lancement du projet, une équipe internationale d’astronomes et d’ingénieurs installait l’instrument GRAVITY dans les tunnels aménagés sous l’un des plus grands observatoires au monde, le VLT (Very Large Telescope), au sommet du mont Paranal au Chili. Travaillant en interférométrie – une technique qui consiste à combiner la lumière de plusieurs télescopes, en l’occurrence ici pour créer un miroir virtuel de 130 mètres de diamètre avec le Very Large Telescope Interferometer (VLTI), afin de bénéficier d’une résolution supérieure -, le système optoélectronique délivra sa première lumière quelques mois plus tard, à partir des quatre télescopes auxiliaires de 1,8 mètre du VLT (Auxiliary Telescopes ou AT).

Le directeur des opérations, Franck Eisenhauer, de l’Institut Max Planck, accompagnait alors le succès de cette première campagne d’observation – une étoile (en réalité une étoile double) dans la région du Trapèze de la nébuleuse d’Orion -, annoncée en janvier 2016, avec ces mots : « Gravity va permettre d’étendre l’interférométrie optique à l’observation d’objets beaucoup moins lumineux, et repoussera bien au-delà des limites actuelles la sensibilité de l’astronomie à haute résolution angulaire ».

A présent, les préliminaires s’achèvent et les tests réalisés avec l’instrument accouplé aux quatre géants, les unités de 8,2 mètres de diamètre chacun (Unit Telescopes ou UT), sont très prometteurs, vient d’annoncer l’ESO, l’Observatoire européen austral. En comparaison avec les observations d’une seule de ces unités, les gains en termes de pouvoir de résolution et de précision sur la position d’un objet sont d’un facteur 15. Elle atteindra bientôt, par exemple, une précision centimétrique dans le cas d’un objet situé sur la Lune.

Tester la théorie de la relativité générale

L’objectif principal de GRAVITY est l’étude du champ gravitationnel intense des trous noirs, et plus particulièrement de celui de Sagittarius A*, qui avec 4 millions de masses solaires, appartient à la catégorie des supermassifs. Invisibles, ceux-ci sont trahis par les danses des étoiles piégées autour d’eux. C’est de cette façon que la position et la masse de Sgr A*, tapi en plein cœur de notre Galaxie, à environ 25.000 années-lumière de la Terre, a pu être inférée en 2002.

Aussi, en traquant avec la plus grande précision possible le mouvement des étoiles qui l’entourent, les chercheurs entendent bien en apprendre davantage (taux de rotation, masse, charge électrique) sur ce corps sombre. Et surtout, comme le nom du projet l’indique, ils vont pouvoir confronter les mesures aux prédictions de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. En effet, pour les physiciens, le centre de la Voie lactée constitue un laboratoire idéal, conforme à leurs attentes.

La vue perçante de l’instrument (10 microsecondes d’angle pour déterminer la position des objets, et une résolution de quatre millisecondes d’angle pour imager les objets) a permis récemment de suivre l’étoile S2, une très proche voisine de Sgr A*. « Lorsque la lumière en provenance de l’étoile a pour la première fois interféré, l’équipe a vécu un moment fantastique, venant couronner huit années de dur labeur, raconte Franck Eisenhauer. Dans un premier temps, nous avons stabilisé l’interférence sur une étoile proche et brillante. Quelques minutes plus tard seulement, nous étions en mesure d’observer l’interférence générée par l’étoile de faible luminosité. » Un exploit dont ils sont très fiers.

Image du centre de notre Galaxie. Pour les observations interférométriques de GRAVITY, IRS 16C a été utilisée comme étoile de référence. La cible était l’étoile S2. La position du centre galactique, qui avoisine le trou noir (invisible) connu sous le nom de Sgr A* est indiquée par la croix rouge — Crédit : ESO, MPE, S. Gillessen et al.

Image du centre de notre Galaxie. Pour les observations interférométriques de GRAVITY, IRS 16C a été utilisée comme étoile de référence. La cible était l’étoile S2. La position du centre galactique, qui avoisine le trou noir (invisible) connu sous le nom de Sgr A* est indiquée par la croix rouge — Crédit : ESO, MPE, S. Gillessen et al.

Des observations cruciales

Les premiers résultats de GRAVITY, instrument très complexe à mettre en œuvre, sont donc très encourageants. Tant mieux, car en 2018, S2 atteindra le point de son orbite de 16 années le plus proche du trou noir supermassif. Une aubaine pour les astrophysiciens qui ne manqueront rien de cette étoile se déplaçant à 2,5 % de la vitesse de la lumière, 30 millions de km/h, à quelque 18 milliards de km (environ 17 heures-lumière, soit 4 fois la distance entre Neptune et le Soleil) de ce Gargantua. Inutile de dire que les effets gravitationnels se feront encore plus sentir, ce qui promet des observations cruciales.

Pour la toute première fois, précise l’ESO, l’équipe pourra mesurer deux effets relativistes qu’occasionne la rotation d’une étoile autour d’un trou noir : le redshift gravitationnel, résultant de la perte d’énergie que subit la lumière de l’étoile lorsqu’elle s’échappe de l’intense champ gravitationnel du trou noir, et la précession du péricentre, un effet observé à plus petite échelle avec l’orbite de Mercure autour du Soleil (avec une intensité toutefois 6.500 fois plus faible qu’à proximité du trou noir galactique).

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